Các nhà nghiên cứu MIT đã thực hiện thí nghiệm khe đôi nổi tiếng ở phiên bản lý tưởng nhất từ trước đến nay, sử dụng các nguyên tử riêng lẻ làm khe và các photon đơn lẻ. Những phát hiện của họ không chỉ xác nhận các dự đoán của cơ học lượng tử mà còn giải quyết cuộc tranh luận kéo dài gần một thế kỷ giữa Albert Einstein và Niels Bohr về bản chất cơ bản của ánh sáng.
Sự fascination của cộng đồng với những bí ẩn lượng tử
Cộng đồng vật lý vẫn tiếp tục bị thu hút sâu sắc bởi những khía cạnh phản trực quan của cơ học lượng tử, đặc biệt là các thí nghiệm tẩy xóa lượng tử lựa chọn trễ. Những thí nghiệm này cho thấy rằng các quyết định được đưa ra sau khi photon đi qua các khe dường như có thể ảnh hưởng đến hành vi trước đó của nó, tạo ra những gì có vẻ như là hiệu ứng ngược thời gian. Tuy nhiên, các chuyên gia cảnh báo không nên diễn giải quá kịch tính những kết quả này.
Nhiều thành viên cộng đồng bày tỏ sự thất vọng với khoảng cách giữa các bài thuyết trình khoa học đại chúng và các ứng dụng cơ học lượng tử thực tế. Trong khi các hiệu ứng lượng tử cho phép các công nghệ như laser, cảm biến lượng tử và chip máy tính, chúng không mang lại những khả năng khoa học viễn tưởng thu hút trí tưởng tượng của công chúng - không có máy thời gian hay thiết bị truyền thông nhanh hơn ánh sáng.
Các Ứng Dụng Chính Của Cơ Học Lượng Tử
- Cảm biến lượng tử: Được sử dụng trong nghiên cứu và các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cực cao
- Công nghệ laser: Dựa trên hiện tượng phát xạ kích thích từ cơ học lượng tử
- Mạch tích hợp: Tất cả các chip máy tính đều được thiết kế sử dụng các tính chất cơ học lượng tử
- Thiết bị xuyên hầm lượng tử: Thành phần chính trong nhiều thiết bị điện tử
- Kính nhìn đêm: Sử dụng các hiệu ứng cơ học lượng tử để phát hiện ánh sáng
- Máy tính lượng tử: Công nghệ mới nổi dựa trên nguyên lý chồng chất lượng tử và sự rối lượng tử
Đột phá ở cấp độ nguyên tử
Wolfgang Ketterle của MIT và nhóm nghiên cứu của ông đã tạo ra một thiết lập thí nghiệm cực kỳ chính xác sử dụng hơn 10.000 nguyên tử được làm lạnh đến nhiệt độ microkelvin và sắp xếp trong một mạng tinh thể. Mỗi nguyên tử hoạt động như một khe riêng lẻ - phiên bản nhỏ nhất có thể của thí nghiệm cổ điển. Bằng cách điều chỉnh độ mờ của các khe nguyên tử này thông qua điều khiển laser, các nhà nghiên cứu có thể điều chỉnh liệu photon hoạt động giống sóng hay hạt hơn.
Thí nghiệm trực tiếp kiểm tra đề xuất năm 1927 của Einstein rằng photon nên tạo ra các lực có thể phát hiện được khi đi qua các khe, trong khi vẫn duy trì các mẫu giao thoa giống sóng. Einstein tin rằng điều này sẽ chứng minh bản chất kép của ánh sáng có thể được quan sát đồng thời. Bohr phản đối bằng cách sử dụng các nguyên lý bất định lượng tử, lập luận rằng bất kỳ nỗ lực nào để phát hiện đường đi của photon sẽ phá hủy mẫu giao thoa.
Độ mờ đề cập đến sự bất định trong vị trí của nguyên tử - càng được giữ lỏng lẻo bởi ánh sáng laser, nguyên tử càng trở nên mờ hoặc rộng về mặt không gian.
Thông số kỹ thuật thiết lập thí nghiệm
- Nguyên tử được sử dụng: Hơn 10.000 nguyên tử
- Nhiệt độ: Dải microkelvin (chỉ cao hơn độ không tuyệt đối một chút)
- Sắp xếp nguyên tử: Mạng tinh thể với các nguyên tử được phân bố đều và tách biệt
- Nguồn ánh sáng: Chùm tia yếu cho phép tán xạ photon đơn lẻ
- Phương pháp phát hiện: Máy dò siêu nhạy ghi lại các mẫu ánh sáng tán xạ
- Thời gian đo: Một phần triệu giây để quan sát không có lò xo
Xác nhận tầm nhìn lượng tử của Bohr
Kết quả của MIT mạnh mẽ ủng hộ quan điểm của Bohr . Các nhà nghiên cứu phát hiện rằng bất cứ khi nào các nguyên tử bị xáo trộn bởi photon đi qua - thu được thông tin về đường đi của photon - mẫu giao thoa sóng giảm tỷ lệ thuận. Càng nhiều thông tin đường đi có nghĩa là càng ít hành vi giống sóng, chính xác như lý thuyết lượng tử dự đoán.
Quan trọng là, nhóm nghiên cứu đã loại bỏ nhu cầu về các lò xo cơ học mà các thí nghiệm trước đây sử dụng để phát hiện tương tác photon. Bằng cách tạm thời tắt các bẫy laser giữ nguyên tử tại chỗ, họ cho thấy các hiệu ứng lượng tử tương tự xảy ra ngay cả khi nguyên tử trôi nổi tự do. Điều này chứng minh rằng các tương quan lượng tử cơ bản giữa photon và nguyên tử, không phải nhiễu loạn cơ học, là động lực của hiện tượng lưỡng tính sóng-hạt.
Hiểu về thực tại lượng tử
Cộng đồng vật lý tiếp tục vật lộn với các hàm ý triết học của cơ học lượng tử. Một số nhà nghiên cứu cho rằng vấn đề đo lường - cách các sóng lượng tử sụp đổ thành các kết quả xác định - vẫn là bí ẩn sâu sắc nhất. Những người khác đề xuất rằng trực giác cổ điển của chúng ta đơn giản là thất bại ở quy mô lượng tử, nơi các sóng xác suất đại diện cho thực tại cơ bản hơn là các thuộc tính cổ điển ẩn.
Thực tại ở dưới đó ở cấp độ lượng tử thực sự rất kỳ lạ. Bạn có thể quen với nó, nhưng hãy quên việc hiểu được nó.
Các diễn giải thay thế như lý thuyết sóng dẫn đường cho rằng hạt và sóng cùng tồn tại như các thực thể riêng biệt, với các hạt được dẫn đường bởi các trường sóng lượng tử. Tuy nhiên, những cách tiếp cận này đối mặt với những thách thức riêng trong việc giải thích các hiệu ứng tương đối tính và lý thuyết trường lượng tử.
Thí nghiệm MIT xuất hiện trong Năm Quốc tế Khoa học và Công nghệ Lượng tử 2025, đánh dấu 100 năm kể từ khi cơ học lượng tử được hình thành. Trong khi cuộc tranh luận giữa Einstein và Bohr xảy ra gần một thế kỷ trước, các thí nghiệm chính xác hiện đại tiếp tục tiết lộ những chiều sâu mới về hành vi kỳ lạ nhưng nhất quán của thực tại lượng tử.
Tham khảo: Famous double-slit experiment holds up when stripped to its quantum essentials